本發(fā)明涉及流動顯示與氣動光學(xué)測試
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種基于視頻測量的定量背景紋影方法。
背景技術(shù)：
：紋影技術(shù)作為流動顯示手段已存在近百年，然而在實際應(yīng)用中，紋影通常僅作定性觀察和分析，極少作為定量化的測試手段。這主要有兩個原因：1)影響紋影圖像灰度的因素很多，如光源強(qiáng)度、玻璃透射率、測試區(qū)厚度等，導(dǎo)致難以建立圖像與待測物理量之間的定量關(guān)系；2)紋影圖像反映折射率的一階導(dǎo)數(shù)場，提取數(shù)據(jù)困難。為此，現(xiàn)有背景紋影(BOS)技術(shù)在傳統(tǒng)紋影原理的基礎(chǔ)上，融入粒子圖像測速技術(shù)(ParticleImageVelocimetry,PIV)的粒子示蹤與粒子圖像處理技術(shù)進(jìn)行流場測量，其優(yōu)點如下：1)如圖1所示，與傳統(tǒng)紋影技術(shù)不同，BOS并非通過光強(qiáng)來量化光線偏折量，而是通過PIV技術(shù)求取背景斑點在相機(jī)CCD上的偏移量，定量獲取給定光線穿過流場的光線偏折位移，可避免環(huán)境光或者測量流場自發(fā)光對測量結(jié)果的影響。2)BOS無需使用傳統(tǒng)紋影系統(tǒng)中的大量光學(xué)儀器，如光闌和透鏡等設(shè)備，不僅成本低，而且消除了透鏡或反射鏡對測量場范圍的限制。但是，現(xiàn)有BOS技術(shù)尚存在以下問題：1)現(xiàn)有的平行光的偏折角計算公式不適用于圖1的BOS光路。原因在于：如圖2所示，對于給定位置的背景斑點A，從點A出發(fā)到相機(jī)攝影中心O的光線在CCD上成像點為a，顯然與z軸不平行，當(dāng)使用平行光的小偏折角計算公式得到誤差明顯，尤其是當(dāng)背景斑點A距離z軸越遠(yuǎn)，誤差越大。2)不能精確得到某個給定點位置的光偏折位移：由于采用PIV技術(shù)求取背景斑點在成像平面的光線偏折位移，即通過求取迭代查詢窗口的互相關(guān)性來獲得整個窗口的位移變化量，因此，其獲得的是整個迭代窗口的平均位移量。3)迭代查詢窗口的大小對現(xiàn)有BOS的精度影響大：若圖像互相關(guān)窗口選擇過小將得不到正確偏移量，而窗口選擇過大，又會降低偏移量的精度，尤其是當(dāng)流動變化劇烈時，如光束穿過超聲速激波時，激波處的背景斑點偏折位移突變幅度大，PIV圖像互相關(guān)窗口法求取偏移量則會因圖像變化劇烈而失敗，魯棒性差。4)現(xiàn)有BOS使用隨機(jī)圖像作為背景，若背景圖像中出現(xiàn)具有空間周期性的結(jié)構(gòu)，PIV算法將無法正確判讀背景位移矢量。技術(shù)實現(xiàn)要素：為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點，本發(fā)明提出了一種基于視頻測量的定量背景紋影方法，將(Videogrammetricmeasurement，VM)技術(shù)與BOS光路相結(jié)合，采用均布的小圓點作為BOS的背景點，一方面利用VM成熟的圓形標(biāo)記點圖像處理技術(shù)，確保小圓點成像的點定位精度達(dá)到0.02像素；另一方面，通過共線方程準(zhǔn)確計算從背景小圓點出發(fā)到相機(jī)攝影中心(即入瞳中心)的光束穿過流場在背景板上產(chǎn)生的偏折位移，并給出精確的偏折角計算公式，旨在準(zhǔn)確獲得每個背景點位置的偏折角和光程差，從而消除現(xiàn)有BOS采用平行光偏折角計算公式產(chǎn)生的誤差，克服了圖像互相關(guān)技術(shù)對現(xiàn)有BOS測量的限制及其對測量精度的不利影響。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于視頻測量的定量背景紋影方法，包括如下步驟：步驟一、搭建BOS系統(tǒng)：背景板與坐標(biāo)系O-XYZ的Z軸垂直，在背景板上布置行列間隔相等的圓點；步驟二、利用背景板上行列均布的圓點坐標(biāo)，采用視頻測量標(biāo)定方法，標(biāo)定相機(jī)在坐標(biāo)系O-XYZ的位置參數(shù)(Xs,Ys,Zs)與姿態(tài)參數(shù)(φ,ω,κ)，以及相機(jī)內(nèi)參數(shù)；步驟三、有流動時，用相機(jī)拍攝背景板時序圖像；步驟四、計算給定的t時刻拍攝的背景板圖像上給定點A的偏折位移、偏折角、光程差：設(shè)A在t時刻的相機(jī)CCD上的偏折成像點為a'，與背景板的交點為A'，1)利用共線方程計算A'在坐標(biāo)系O-XYZ下的(X,Z)坐標(biāo)值，再利用共線方程進(jìn)一步計算出A'在風(fēng)洞坐標(biāo)系下的X與Y坐標(biāo)值；2)計算A點的偏折位移：設(shè)A為背景板上第i行第j列的圓點，將其X與Y軸方向的偏折位移分別記為ΔX(i,j)和ΔY(i,j)，則：ΔX(i,j)＝A'的X坐標(biāo)值-A的X坐標(biāo)值；ΔY(i,j)＝A'的Y坐標(biāo)值-A的Y坐標(biāo)值；3)計算A點的偏折角：將A點X與Y軸方向的偏折角分別記為和則：ϵx(i,j)=arctan(ΔX(i,j)b+btan2γx(i,j)+ΔX(i,j)tanγx(i,j));]]>ϵy(i,j)=arctan(ΔY(i,j)b+btan2γy(i,j)+ΔY(i,j)tanγy(i,j));]]>式中，b為流場中心與背景板間的距離，γx(i,j)=arctan(x(i,j)f);]]>γy(i,j)=arctan(y(i,j)f);]]>式中，x(i,j)和y(i,j)為A點的成像圓點a在坐標(biāo)系O-XYZ下的X與Y坐標(biāo)值；4)計算A點的光程差：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是：與現(xiàn)有的BOS方法不同，本發(fā)明將視頻測量(VM)技術(shù)與BOS光路相結(jié)合，采用均布的小圓點作為BOS的背景點，取得以下創(chuàng)新點：1)給出了非平行光的偏折角和光程差的精確計算公式；2)建立了基于BOS光路參數(shù)的背景圓點直徑與間隔參數(shù)計算公式，以確保小圓點成像的點定位精度達(dá)到0.02像素；3)建立了偏折位移定量縮放公式，以便通過改變背景板到流場中心的距離，縮放背景板上圓點處的光偏折位移，調(diào)整基于視頻測量的定量背景紋影的靈敏度。因此，可準(zhǔn)確計算從每個背景小圓點出發(fā)到相機(jī)攝影中心(即入瞳中心)的光束穿過流場在背景板上產(chǎn)生的偏折位移、偏折角和光程差，實現(xiàn)背景紋影的定量測量。本發(fā)明提出基于VM的BOS，首先給出了非平行光的偏折角和光程差的精確計算公式，消除了現(xiàn)有BOS采用平行光偏折角計算公式產(chǎn)生的誤差，并且可準(zhǔn)確計算從每個背景小圓點出發(fā)到相機(jī)攝影中心(即入瞳中心)的光束穿過流場在背景板上產(chǎn)生的偏折位移、偏折角和光程差，實現(xiàn)背景紋影的準(zhǔn)確測量。其次，基于建立的偏折位移定量縮放公式，通過改變流場中心與背景板間的距離，調(diào)整基于視頻測量的定量背景紋影的靈敏度，以確保測得理想信噪比的偏折位移場和偏折角場數(shù)據(jù)。最后，本發(fā)明基于BOS光路參數(shù)的背景圓點直徑與間隔參數(shù)計算方法，結(jié)合成熟的視頻測量技術(shù)，采用均布的小圓點作為BOS的背景點，用共線方程準(zhǔn)確計算每個背景小圓點的偏折位移，結(jié)合本發(fā)明的偏折位移定量縮放公式，提升BOS的魯棒性，克服了圖像互相關(guān)技術(shù)對現(xiàn)有BOS測量的限制及其對測量精度的不利影響，即使當(dāng)流動變化劇烈時，如光束穿過超聲速激波時，仍能有效獲得高精度的測量結(jié)果。附圖說明本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：圖1為BOS原理圖；圖2為偏折角計算原理圖；圖3為背景板圓點參數(shù)確定原理圖。具體實施方式一種基于視頻測量的定量背景紋影方法，包括如下步驟：1、按圖1所示原理搭建BOS系統(tǒng)，要求背景板與圖2所示的Z軸垂直，背景板上布置有行列間隔均為S的小圓點，小圓點直徑為ΦD。背景板上給定圓點A的設(shè)計方法如下：1)如圖3所示，點A的直徑ΦD＝uΦd/f(1)式中Φd為背景板上的圓點在相機(jī)上成像圓點a的直徑，要求Φd大于等于6個像素，以確保小圓點成像的點定位精度高達(dá)0.02像素。u為背景板到相機(jī)攝影中心O的距離，f為焦距。2)圓點的行列間隔S＝us/f(2)式中s為背景板上的圓點在相機(jī)上成像圓點間的間隔距離，一般取s等于1.5到2倍的Φd。3)要求背景板上的圓點輪廓明晰，如：黑底白圓點或白底黑圓點。2、圖2為標(biāo)準(zhǔn)的三維歐拉坐標(biāo)系O-XYZ在YOZ投影面上的幾何關(guān)系，利用背景板上行列均布的圓形點坐標(biāo)，采用成熟的視頻測量標(biāo)定方法(如基于平面模板的攝像機(jī)標(biāo)定算法)，標(biāo)定相機(jī)在如圖2所示坐標(biāo)系O-XYZ的位置參數(shù)(Xs,Ys,Zs)與姿態(tài)參數(shù)(φ,ω,κ)，以及相機(jī)內(nèi)參數(shù)。3、有流動時，用相機(jī)拍攝背景板時序圖像。其中給定的t時刻拍攝的背景板圖像上給定點A的偏折位移、偏折角、光程差(OPD)計算方法如下：如圖2所示，由于流動造成光線發(fā)生偏折，設(shè)A在t時刻的相機(jī)CCD上的偏折成像點為a'，與背景板的交點為A'(即A因產(chǎn)生光偏折現(xiàn)象在背景板上的偏折位置)1)利用共線方程計算A'在圖2所示坐標(biāo)系下的(X,Z)坐標(biāo)值。共線方程描述了VM相機(jī)、試背景板上圓點及其像點三者的數(shù)學(xué)模型，表達(dá)式為x+fa1(X-Xs)+b1(Y-Ys)+c1(Z-Zs)a3(X-XS)+b3(Y-Ys)+c3(Z-Zs)=x0y+fa2(X-Xs)+b2(Y-Ys)+c2(Z-Zs)a3(X-XS)+b3(Y-Ys)+c3(Z-Zs)=y0---(3)]]>式中(x0,y0)分別為相機(jī)像平面中心，(x,y)為待測點的像平面坐標(biāo)，(X,Y,Z)為待測點在圖2所示坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，(a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3,)為相機(jī)姿態(tài)角(φ,ω,κ)所組成的旋轉(zhuǎn)矩陣R中9個方向余弦。由于相機(jī)的位姿參數(shù)(Xs,Ys,Zs)和(φ,ω,κ)、點a'的像平面坐標(biāo)以及點A'的Z坐標(biāo)值(即為背景板在Z軸上的垂直安裝位置)已知，由式(3)即可求出A'在風(fēng)洞坐標(biāo)系下的X與Y坐標(biāo)值。2)計算A點的偏折位移。設(shè)A為背景板上第i行第j列的圓形點，將其X與Y軸方向的偏折位移分別記為ΔX(i,j)和ΔY(i,j)，則計算式如下ΔX(i,j)＝A'的X坐標(biāo)值-A的X坐標(biāo)值(4)ΔY(i,j)＝A'的Y坐標(biāo)值-A的Y坐標(biāo)值(5)3)計算A點的偏折角。X與Y軸方向的偏折角計算公式如下：ϵx(i,j)=arctan(ΔX(i,j)b+btan2γx(i,j)+ΔX(i,j)tanγx(i,j))---(7)]]>ϵy(i,j)=arctan(ΔY(i,j)b+btan2γy(i,j)+ΔY(i,j)tanγy(i,j))---(8)]]>式中b為流場中心與背景板間的距離(圖2所示)，而γx(i,j)=arctan(x(i,j)f)---(9)]]>γy(i,j)=arctan(y(i,j)f)---(10)]]>式中x(i,j)和y(i,j)為A點的成像圓點a在圖2所示坐標(biāo)系O-XYZ下的X與Y坐標(biāo)值。4)計算A點的光程差。計算式如下：4、通過調(diào)整流場中心與背景板間的距離b，縮放背景板上圓點偏折位移，以便調(diào)整基于視頻測量的定量背景紋影的靈敏度。其中給定的t時刻拍攝的背景板圖像上給定點A的偏折位移的隨b縮放的計算式如下：ΔX(i,j)=b(1+tan2γx(i,j))(1-tanϵx(i,j)tanγx(i,j))tanϵx(i,j)---(12)]]>ΔY(i,j)=b(1+tan2γy(i,j))(1-tanϵy(i,j)tanγy(i,j))tanϵy(i,j)---(13)]]>當(dāng)前第1頁1 2 3